Расчет выходного каскада усилителя

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего  профессионального образования

Санкт-Петербургский  Государственный Университет  Низкотемпературных и Пищевых Технологий  
 
 

Кафедра электротехники и электроники 
 
 
 
 
 

Пояснительная записка

к курсовой работе

«РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА  УСИЛИТЕЛЯ»

По курсу  «Общая электротехника и электроника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Руководитель работы                                                                 Дорошков А.В.

Выполнил студент                                                                        Кулаков Виктор

группы 231+3А 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ………………………………………………………………………………………….………….………….…..……4

1. Выбор принципиальной схемы…………………………………………….……………….....5
2. Расчет выходного каскада……………………………….……………………….………………..9
1. Выбор выходных транзисторов......………………………….……………………….9
2. Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки…………………………………………………………………………………………….11
3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов их работы по постоянному току Построение линии нагрузки .…………………………...13
4. Определение основных параметров выходного каскада ............….15
5. Расчет элементов связи…………………………………………………………..….….19
3. Заключение………………………………………………….…………………………………………...22

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

     Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания. Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (в нашем случае), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др..

     Целью данной курсовой работы является проектирование бестрансформаторного выходного каскада усилителя на основе биполярных транзисторов. В задачу входит :

- составление принципиальной  схемы выходного каскада, позволяющей  реализовать требуемые коэффициенты  усиления сигнала по мощности  и напряжению, а также обладающей  КПД не менее 40 %;

- подбор транзисторов, исходя из требуемой мощности  Р_н в нагрузке, температуры окружающей среды t_в и заданного либо выбираемого напряжения Е_п источника питания;

- выбор оптимальных  режимов работы транзисторов  по постоянному току, обеспечивающих  малый уровень нелинейных искажений  в заданном интервале температур;

- определение электрических  параметров выходного каскада  по  переменному току( входного сопротивления R_вх , коэффициентов усиления по току К_i и мощности К_р и др.);

- нахождение минимально-необходимой  площади S радиаторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Выбор принципиальной схемы:

R2

 
 
 

Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных транзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой(VD1, VD2, R_п) 
 
 
 
 

2. Расчет  принципиальной схемы
1. Выбор выходных транзисторов

 

Дано: вариант № 5

 

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора  VT3(VT4):

U_km3 = √2U_H = 14,2 В ,

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора  VT3(VT4):

I _km3 = U_km3/R_н = 2,4 А,

Мощность, выделяемая на нагрузке:

P_н = (U_н)²/ R_н = 33,6 Вт,

Необходимое напряжение источника питания:

E_n = 1,01*(U_km3 +I_km3 * r_нac) = 15,1 В,

r_нас ≈ 0,1−1 - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения, Ом (Принимаем  r = 0,3)

Так как величину источника питания следует выбирать из ряда (5, 6, 9, 12, 15,18, 24, 27, 36, 48) В, то принимаем  E_п=15 В.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

P_к3 = 0,4* Р_Н = 13,4 Вт.

Используя полученные значения P_k3, I _km3, E _п из компьютерной базы кафедры и

справочника по транзисторам, отдавая предпочтение приборам с  малым обратным

током I_k0, подбираем транзисторы КТ816A и КТ817A (VT3 и VT4).

На первом этапе  проверяем, что выбранные транзисторы  удовлетворяют по своим предельно-допустимым параметрам следующей системе неравенств:

P_{k доп20} = 25 Вт > 1,4Р_к3 = 18,8 Вт;

U_k3дon = 40 В > 2,2E_п = 33,2 В;

I_{k доп} = 3 А > 1,15*I_km3 = 2,76 А 

Затем переходим  ко второму этапу, на котором проверяем могут ли транзисторы VT3 и VT 4 при наибольшей температуре своих корпусов (коллекторов) t_kmax  рассеивать мощность, не меньшую, чем 1,1P_k3. Для этого рассчитываем

Р'_кдоп = P_kдоп20[1-0,01(t_kmax -20^oC)] =  15 Вт,

где t_kmax =t_в + (15 …30) = 50 + 20 = 60  ^oC - максимальная температура коллекторного перехода; t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур, ^oC.

Транзисторы подходят, так как

Р'_кдоп = 15 Вт ≥ 1,1P_k = 14,7 Вт.

Выписываем основные параметры выбранных транзисторов:

P_{k доп20} = 25 Вт - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе при 20 ^oC;

U_{кэ доп}  = 40 B - максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером;

I_{k доп} = 3 А-максимально допустимый постоянный ток коллектора;

h_{21э min} = 25 - минимальный коэффициент передачи тока базы в схеме общий эмиттер;

T_{п доп} = 125 ^oC (КТ816А) - максимально допустимая температура перехода;

T_{п доп} = 150 ^oC (КТ817А);

R_{t n-k} = 5 ^oC/Вт - тепловое сопротивление подложка- корпус;

I_{k0 20} ^o_С = 0.1 мА - обратный ток коллектора при 20 ^oC. 

2. Выбор режима работы по постоянному  току и построение линии нагрузки.

Рассчитываем величину обратного тока коллектора при максимальной температуре по формуле:

I_{k0 max} = I_{k0 20} ^o_С * e^{008(tkmax -20)} = 0,0025 А.

Задаемся током  покоя коллектора I_k03 транзисторов VT3(VT4) из соотношения:

I_ok3 > (10 …30)*I_k0max =  0,075 A.

Ток покоя I_k03 должен быть, как минимум, в 10- 30 раз меньше амплитудного значения тока коллектора, поэтому осуществляем проверку

I_ok3 = 0,075 < (0,03 … 0,1)I_km3 = 0,07 *2,4 = 0,168 А,

Условие выполняется, следовательно транзистор подобран правильно.

На семействе выходных характеристик транзисторов VT3(VT4) строим нагрузочные прямые по переменному току с координатами: